接地铜浇注的优与坏：EMC 视角

在PCB设计中，使用接地铜填充就像一把双刃剑。了解如何在平衡铜层、防止无效铜问题以及提升PCB性能方面做出明智的设计决策至关重要。

铜填充，又称铜填充或铜多边形，是指在PCB的某个区域填充铜，并自动设置间隙。这一功能非常便捷，且具有重要的电气用途。它不仅可以快速创建与电源轨相连的大面积区域，其最常见的用途还是用于在PCB层的未使用空间中填充接地。

关于是在层中填充未使用区域为接地这一做法先出现，还是执行此功能的工具先问世，目前尚不明确。但无论如何，在层的未使用区域填充接地已成为一项标准建议，被众多设计师所遵循。

那么，您的设计中是否应该使用接地填充呢？对于这个问题，有一个著名的回答：“视情况而定。”在本文中，我们将概述接地填充的一些正确与错误用法，并解释这一PCB布局实践对电磁兼容性（EMC）的影响。

平衡所有层的铜分布

使用铜填充的一个原因是平衡PCB所有层上的铜分布。铜具有导热性，不对称的铜分布会影响层压合过程中的热量分布。使用铜填充有助于在此过程中平衡热量。图1展示了铜填充在此方面可发挥有益作用的一个实例。

图1. 此PCB在背层使用了铜填充来提供接地平面，但顶层并未使用。通过在顶层也应用一个铜填充区域，可以平衡PCB中的铜分布。

这种方法可能是一把双刃剑，需要在焊盘和走线周围留出足够的间隙。虽然携带电源或直流信号的走线通常不会出现问题，但阻抗控制的走线可能会受到影响。用接地铜填充填充一层可能会引入走线与附近填充之间的随机互电容，这将改变走线的阻抗（图2）。

铜填充可能会导致走线阻抗发生不希望的变化。

图2. 铜填充可能会导致走线阻抗发生不希望的变化。

为防止这种情况，应在这些走线与铜填充之间设置更大的间隙。PCB设计软件中的一些阻抗求解器工具可以计算给定间隙下的正确走线宽度，但在线计算器可能不太准确。一个简单且保守的规则是在走线边缘与铜填充之间应用“3W”间隙——即间隙等于走线宽度的三倍。

在双层PCB中提供接地

在双层PCB中，大部分空间用于放置元件和信号，因此在实际操作中不可能在每个信号旁边都布置接地走线。最方便的解决方案是在信号层中填充接地铜填充。这可以平衡铜分布，并为大多数信号在两层上都提供接地。然后，通过战略性地放置缝合过孔来连接两层之间的接地。

这种方法适用于低密度双层PCB（图3）。一旦两层都布满了走线和元件，可能就没有太多空间用于接地铜填充了。一些设计师可能会填充未使用的区域，战略性地放置缝合过孔，然后保持设计不变。然而，这通常会导致由于无意中在接地分割上方布线以及噪声产生元件缺乏接地而导致的过量辐射发射。

此双层PCB中的元件密度正好处于可能需要接地平面的临界值。

图3. 此双层PCB中的元件密度正好处于可能需要接地平面的临界值。

最简单的解决方案是不依赖接地铜填充，而是使用四层PCB。高密度布线和元件排列受益于具有两个内部接地平面（或一个接地平面和一个电源平面）的四层堆叠，因为这提供了更好的信号完整性和更低的辐射发射。

铜天线

有时，铜填充会留下几乎完全封闭且不会被自动缝合过孔工具触及的铜区域。请参见下面图4中的图像以获取示例。尽管这些剩余区域在电气上与接地相连，但它们作为天线具有电磁干扰（EMI）敏感性。较大的区域具有较低的谐振频率，使其在低频率下也易受EMI影响。依赖自动缝合过孔功能来在所有地方连接接地可能会留下这些铜天线，而您的PCB软件中的设计规则引擎通常会忽略它们。

图4. 物理上分离的铜填充区域可能会像天线一样，成为电磁干扰（EMI）的隐患。

另一个问题是死铜，即铜填充对象内未与接地系统其余部分相连的铜区域。这种悬浮的铜也会像天线一样工作。幸运的是，这个问题可以通过在这些小块铜上放置一两个缝合过孔来轻松解决。

平面电容

最后，我们来谈谈电源完整性，这也与辐射发射有关。带有大型处理器的高速数字PCB通常需要大型的电源轨铜填充或整个电源平面层。此类设计通常从如图5所示的六层堆叠开始。

第4层专门用于电源轨，而第5层使用接地则为这些电源轨提供了显著的平面电容。

图5. 第4层专门用于电源轨，而第5层使用接地则为这些电源轨提供了显著的平面电容。

在这种堆叠中，第5层的接地平面紧邻第4层的电源平面或电源轨，提供的平面电容有助于在10 MHz至100 MHz范围内进行电源传输。

第3层是信号层，可能不需要也可能需要控制阻抗。如果第3层的走线密度较低，则用接地铜填充填充该层可为电源分配网络提供更多的电容。平面电容的增加可能是显著的，对于较大的电路板，有时甚至可能达到两倍到四倍。

只要应用了足够的间隙，填充就不会影响走线阻抗。从EMI的角度来看，这会导致电源轨上的瞬态电压减小，进而降低电路板边缘的高频辐射发射。

接地填充并非解决EMI问题的万能药

综上所述，在所有地方都使用接地铜填充并不是解决所有EMI问题的灵丹妙药。有时，接地填充会创造新的问题，或意外地解决现有问题。有时，尽管存在铜填充，电路板也能正常工作并通过电磁兼容性（EMC）测试。

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